Download - Aplicación Del Método de Refracción Sismica Para La Dterminación de Velocidades de Ondas P
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UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR
FACULTAD DE INGENIERA Y ARQUITECTURA
ESCUELA DE INGENIERA CIVIL
APLICACIN DEL METODO DE REFRACCION
SISMICA PARA LA DETERMINACION DE
VELOCIDADES DE ONDAS P
PRESENTADO POR:
JOSE MANUEL LOPEZ AVALOS
JULIO ANTONIO MEJIA CARRILLOS
NESTOR DANILO VEGA
PARA OPTAR AL TITULO DE:
INGENIERO CIVIL
CIUDAD UNIVERSITARIA, MARZO DE 2008
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UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR
RECTOR :
MSc. RUFINO ANTONIO QUEZADA SNCHEZ
SECRETARIO GENERAL :
LIC. DOUGLAS VLADIMIR ALFARO CHVEZ
FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA DECANO :
ING. MARIO ROBERTO NIETO LOVO SECRETARIO :
ING. OSCAR EDUARDO MARROQUN HERNNDEZ
ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
DIRECTOR :
MSc.-ING. FREDY FABRICIO ORELLANA CALDERON
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UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR
FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA
ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
Trabajo de Graduacin previo a la opcin al Grado de:
INGENIERO CIVIL
Ttulo :
APLICACIN DEL METODO DE REFRACCION SISMCA PARA LA DETERMINACION DE
VELOCIDADES DE ONDAS P
Presentado por :
JOSE MANUEL LOPEZ AVALOS
JULIO ANTONIO MEJIA CARRILLOS
NESTOR DANILO VEGA
Trabajo de Graduacin Aprobado por:
Docentes Directores :
INGRA. LESLY EMIDALIA MENDOZA MEJIA
ING. JOSE ANTONIO GONZALEZ MAGAA
ING. LUIS ADOLFO ALVARADO CHORRO
San Salvador, Marzo de 2008
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Trabajo de Graduacin Aprobado por:
Docentes Directores :
INGRA. LESLY EMIDALIA MENDOZA MEJIA
ING. JOSE ANTONIO GONZALEZ MAGAA
ING. LUS ADOLFO ALVARADO CHORRO
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JOSE MANUEL LOPEZ AVALOS
DEDICATORIA
DEDICO MI ESTUDIO ESPECIALMENTA A:
DIOS TODOPODEROSO: Por su inmenso amor, por iluminar y proteger cada instante
de mi vida, por permitirme la felicidad y satisfaccin de haber alcanzado una de mis
principales metas.
A LA VIRGEN MARIA: Por brindar ese cario y proteccin de madre.
A MIS PADRES: Victor Manuel Lpez Urbina y Mara Yolanda Avalos de Lpez, por
el apoyo y amor que siempre me brindaron, la confianza que depositaron en mi y
sobretodo por el esfuerzo que realizaron para brindarme una buena educacin.
A MIS HERMANAS: Joseline y Claudia Por brindarme siempre su compaa, su amor
y comprensin, apoyndome con palabras de aliento y consuelo en todos los momentos
de mi vida.
A MIS ABUELOS: Por brindarme una inspiracin a seguir en la vida (Q.D.D.G).
A MIS TIOS: Por demostrarme su cario, apoyo incondicional y confianza en mi.
A MI ESPOSA: Bessy Xiomara por su apoyo y comprensin en todo momento.
A MIS COMPAEROS: Por el esfuerzo que cada uno puso para la realizacin de este
trabajo de graduacin.
A TODAS AQUELLAS PERSONAS Y AMIGOS: Que de alguna forma estuvieron
involucradas en el desarrollo de mi carrera y en la realizacin de este trabajo de
graduacin, gracias.
Con todos comparto este logro.
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DEDICATORIA: A Dios, gracias infinitas doy, por brindarme la oportunidad de alcanzar uno de mis mayores anhelos: Ser Ingeniero Civil. A mi Madre del Cielo, Mara Inmaculada, por acompaar y ser mediadora de las necesidades de este guerrero. A mi Madre, Ada Morena, por sacrificar lo ms importante en su vida y con ello dar paso para que mis hermanos y yo tuvisemos una mayor formacin acadmica. A mi segunda Mami, Araceli, por sus oraciones, apoyo y cario incondicional, los cuales me han proporcionado la fortaleza y el valor suficiente para encarar y superar cualquier adversidad. A mi hermanitos: Emersn Ral, Jonatn Alejandro, Karla Rubenia y Claudia Araceli, por la bendicin de contar con su presencia, atencin, apoyo, consejos y oraciones, con lo cual he podido concretizar este y otros logros en mi vida. A mi To Ral, por su aprecio, ejemplo y autoridad, con lo cual trazo la direccin de mi sendero. Al Ingeniero Ignacio Francs, por su consejo oportuno para ayudarme a visualizar el potencial de esta investigacin. A los asesores de este trabajo de graduacin: Ingra. Lesly Mendoza, Ing. Luis Chorro e Ing. Jos Antonio Gonzlez, por su dedicacin en el desarrollo de este documento, ya que sin su ayuda, esto no sera una gozosa realidad. A mis compaeros de tesis, por la oportunidad haber alcanzado esta meta juntos. Al Dr. Edwin Portillo, por el apoyo, comprensin y colaboracin brindada en el desarrollo de este trabajo de graduacin. A toda mi familia, por sus oraciones, consejos y cario, en especial a Ta Elsy e hijas, Ta Rubenia e hijos, Ta Lupe e hijas y Abuelita Eva. Y por supuesto, a todas las personas con las que he compartido tanto momentos alegres como difciles, en los que mostrando las maravillas de su corazn me han brindado su amistad incondicional, respeto y cario, en especial a Lawrence (Q.D.D.G.), Miguel, Mayra, Antonio, Carlos, Farid y Anglica. Agradecido de corazn. NSTOR DANILO VEGA
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INDICE GENERAL
CAPITULO I
1.1 INTRODUCCION i
1.2 ANTECEDENTES 1
1.3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 5
1.4 JUSTIFICACION 7
1.5 OBJETIVO GENERAL
1.5.1 OBJETIVOS ESPECIFICOS 8
1.6 ALCANCES 9
1.7 LIMITANTES 10
1.8 METODOLOGIA PARA LA INVESTIGACION 11
CAPITULO II
2.1 INTRODUCCION 14
2.2 EXPLORACION DEL SUBSUELO 15
2.2.1 SONDEOS MECANICOS Y CALICATAS 15
2.2.1.1 SONDEOS MECANICOS 17
2.2.1.2 CALICATAS 18
2.2.2 ENSAYOS DE LABORTORIO 19
2.2.2.1 ENSAYOS DE LABORATORIO PARA LA
DETERMINACION DE PROPIEDADES DINAMICAS
DE LOS SUELO 21
2.3 METODOS GEOFISICOS DE EXPLORACION 28
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2.3.1 METODOS GEOFISICOS 28
2.3.2 METODO GRAVIMETRICO 29
2.3.3 METODO MAGNETICO 29
2.3.4 METODOS ELECTRICOS 30
2.4 METODOS SISMICOS 30
2.4.1FUNDAMENTO TEORICO DE ONDAS 31
2.4.1.1 PARAMETROS PARA LA DESCRIPCION
DE ONDAS 31
2.4.1.2 ONDAS ELASTICAS 31
2.4.1.3 FENOMENOS EN LA PROPAGACION 34
2.4.1.4 LEY DE SNELL 35
2.4.1.5 PRINCIPIO DE HUYGENS 37
2.4.1.6 PRINCIPIO DE FERMAT 40
2.4.2 METODO DE REFRACCION SISMICA 40
2.4.3 METODO DE REFLEXION SISMICA 44
2.4.4 METODOS DE EXPLORACION EN POZOS 47
2.4.4.1 METODO UP-HOLE 47
2.4.4.2. METODO DOWN HOLE 48
2.4.4.3 METODO CROSS HOLE 50
2.4.5 METODOS DE ONDAS SUPERFICIALES 53
2.4.5.1 METODO MASW 54
2.4.5.2 METODO SASW 56
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2.5 ORIGEN GEOLOGICO DE LOS SUELOS DE SAN SALVADOR 60
2.5.1 DEFINICION DE TIERRA BLANCA 60
2.5.2 ORIGEN DE LA TIERRA BLANCA
DE SAN SALVADOR 61
2.5.3 MAPA DE ESPESORES 62
2.5.4 COMPOSICION DE LOS SUELOS DE SAN SALVADOR 62
CAPITULO III
3.1 INTRODUCCION 73
3.2 GENERALIDADES SOBRE EL METODO DE REFRCCION SISMICA 74
3.3 DESCRIPCION DEL EQUIPO DE MEDICION UTILIZADO PARA
EL ENSAYO DE REFRACCION SISMICA 79
3.3.1 GEOFONOS 80
3.3.1.1 TIPOS DE GEOFONOS Y SUS
CARACTERISTICAS 81
3.3.1.2 CABLE DE CONEXIN DE
GEOFONO-SISMOGRAFO 83
3.3.2 CABLE DE CONEXIN DE GEOFONOS-SISMOGRAFO84
3.3.3 SISMOGRAFO 85
3.3.3.1 SISMOGRAFOS CON CANAL UNICO 86
3.3.3.2 SISMOGRAFOS MULTICANAL 86
3.3.4 AMPLIFICADORES 88
3.3.5 UNIDAD DE CONTROL Y ALMACENAMIENTO 88
-
3.3.5 FUENTE DE ENERGIA 89
3.3.7 SISTEMA DE DISPARO (TRIGGER) 93
3.4 METODOLOGIA PARA EL DESARROLLO DEL
ENSAYO DE REFRACCION, SEGN NORMA ASTM-D5777 95
3.4.1 CALIFICACION DEL PERSONAL 95
3.4.2 PLANEAMIENTO DE LA INSPECCION 95
3.4.2.1 OBJETIVO DE LA INSPECCION POR
REFRACCION SISMICA 95
3.4.2.2 VALORACION DEL CONTRASTE DE
VELOCIDAD SISMICA 97
3.4.2.3 SELECCIN DEL METODO DE
INTERPRETACION 97
3.4.2.4 DISEO DE LA INSPECCION 98
3.4.3 EJECUCUCION DE LA INSPECCION 100
3.4.3.1 CHEQUEO DEL PLAN DE LA INSPECCION
EN EL SITIO DE INTERES 100
3.4.3.2 PROCEDIMIENTO DE CAMPO PARA LA
REALIZACION DE LA INSPECCION 100
3.4.3.3 CONTROL DE CALIDAD 111
3.4.3.4 CALIBRACION Y ESTANDARIZACION 112
3.4.4 INTERPRETACION DE DATOS DE REFRACCION
SISMICA 112
-
3.4.4.1 METODO DE INTERPRETACION 112
3.4.4.2 INTERPRETACION PRELIMINAR 114
3.4.4.3 VERIFICACION E INTERPRETACION DE
REFRACCION SISMICA 115
3.4.4.4 REPRESENTACION DE DATOS 115
3.4.5 CONTENIDO DEL REPORTE DE UNA INSPECCION
DE REFRACCION SISMICA 115
3.5 TEORIA BASICA SOBRE EL METODO DE REFRACCION SISMICA 117
3.5.1 SUPOSICIONES DEL METODO DE REFRACCION
SISMICA 117
3.5.2 TRAYECTORIAS DE LAS ONDAS 118
3.5.3 SISMOGRAMA 121
3.5.4 CURVAS TIEMPO DISTANCIA (CURVA T-X) 123
3.5.5 PRINCIPIOS GENERALES DE INTERPRETACION EN
REFRACCION 125
3.5.5.1 LEY DE LAS VELOCIDADES APARENTES 125
3.5.5.2 PRINCIPIO DE RECIPROCIDAD 126
3.5.5.3 PRINCIPIO DEL INTERCEPTO EN EL ORIGEN128
3.5.5.4 PRINCIPIO DE PARARELISMO 128
3.5.6 METODOLOGIA DE CALCULO 129
3.5.6.1 METODO TIEMPO-INTERCEPTO 130
-
3.5.7 LIMITACIONES Y POSIBLES CAUSAS DE ERROR DEL
METODO DE REFRACCION SISMICA 139
3.5.7.1 TENDIDOS, TRASLAPES Y MEDICION DE
TIEMPOS DE ARRIBO 139
3.5.7.2 SITIOS DE MEDICION 139
3.5.7.3 INTERPRETACION 140
3.5.7.4 CAPACIDAD DE LA FUENTE 141
3.5.7.5 CLIMA 141
3.5.7.6 ERRORES HUMANOS 141
3.5.7.7 CONDICIONES GEOLOGICAS 142
3.6 INFORMACION DE REFERENCIA NECESARIA PARA EL
DESARROLLO ENSAYO DE REFRACCION SISMICA 143
3.6.1 VELOCIDADES DE ONDAS P Y S PARA ALGUNOS
TIPOS DE MATERIALES 143
3.6.2 RELACIONES ENTRE PARAMETROS DINAMICOS
DEL SUELO Y LA VELOCIDAD DE ONDAS P Y S 144
3.6.3 COEFICIENTE DE POISSON 146
3.6.4 CLASIFICACION GEOMECANICA DEL TERRENO 151
3.6.5 OTROS PARAMETROS GEOTECNICOS 153
3.6.6 EXCAVABILIDAD Y RIPEABILIDAD 154
-
3.6.7 RELACIONES ENTRE EL VALOR DE N DEL ENSAYO
DE PENETRACION ESTANDAR Y LAS VELOCIDADES
DE ONDAS P Y S 155
3.6.8 RELACIONES ENTRE LA VELOCIDAD DE ONDAS S
Y EL VALOR DE N DEL ENSAYO DE
PENETRACION ESTANDAR, SEGN LA
NORMA JAPONESA 156
3.6.9 RECOMENDACIONES EN ESTADOS UNIDOS DE
AMERICA 156
3.6.10 RELACIONES ENTRE LA VELOCIDAD DE ONDAS
S Y EL VALOR DE N DEL ENSAYO DE
PENETRACION ESTANDAR, SEGN
LA NORMA ESPAOLA 158
3.6.11 ENSAYO SPT 158
3.6.12 METODO DE SIMPLIFICACION SPT 160
CAPITULO IV
4.1 INTRODUCCION 164
4.2 ESTUDIO DE REFRACCION SISMICA EN LAS INSTALACIONES
DE LA UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR 165
4.2.1 GENERALIDADES 165
4.2.1.1 INTRODUCCION 165
4.2.1.2 OBJETIVO 166
-
4.2.1.3 GENERALIDADES SOBRE EL METODO
DE REFRACCION 167
4.2.2. PLANEAMIENTO DE LA INSPECCION 169
4.2.2.1 PERSONAL 169
4.2.2.2 EQUIPO 170
4.2.2.3 CARACTERISTICAS DEL SITIO 171
4.2.2.4 VALORACION DEL CONTRASTE DE
VELOCIDAD SISMICA 173
4.2.2.5 SELECCIN DEL METODO DE
INTERPRETACION 174
4.2.2.6 DISEO DE LA INSPECCION 175
4.2.3 TRABAJO DE CAMPO 176
4.2.4 PROCESAMIENTO DE LOS DATOS 189
4.2.4.1 PROCESAMIENTO DE REFRACCION
SISMICA 189
4.2.5 EVALUACION DE RESULTADOS 202
4.2.5.1 ESTUDIO DE SELOS REALIZADO POR LA
EMPRESA F.C. S.A DE C.V. 202
4.2.6 CONCLUSIONES 216
4.3 METODOLOGIA PARA LA CARACTERIZACION DE LOS SUELOS
DEL MUNICIPIO DE SAN SALVADOR Y ZONAS ALEDAAS 219
4.3.1 DESCRIPCION GEOLOGICA DEL A.M.S.S 265
-
4.3.2 ESTRATIGRAFIA DEL A.M.S.S. 270
4.3.3 SECUENCIA ESTRATIGRAFICA DE SAN SALVADOR 273
4.3.4 IDENTIFICACION DE LAS FORMACIONES 274
4.3.3.1 AREA DE ANTIGUO CUSCATLAN 274
4.3.3.2 AREA DE CENTROS COMERCIALES EL
ESPINO 277
4.3.3.3 AREA DEL BOULEVARD ORDEN DE
MALTA 280
4.3.3.4 AREA DE LA COLONIA ESCALON 282
4.3.3.5 AREA DE COLONIA SAN BENITO 284
4.3.3.6 AREA DEL MONUMENTO AL SALVADOR
DEL MUNDO 286
4.3.3.7 AREA DE CENTRO DE SAN SALVADOR 288
4.3.3.8 AREA DE SAN JACINTO Y CIUDAD
DELGADO 290
4.3.3.9 AREA DE SAN ROQUE 292
4.3.3.10 AREA DE CORDILLERA DEL BALSAMO 294
4.3.4 RESUMEN DE VELOCIDADES DE ONDAS P EN S.S 296
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 300
GLOSARIO 313
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 314
ANEXOS 319
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INDICE DE TABLAS, FIGURAS Y FOTOGRAFIAS.
TABLAS CAPITULO II
Tabla 2.1 Clasificacin de Ensayos de Campo para la Exploracin del
Subsuelo...16
Tabla 2.2. Clasificacin de los Ensayos de
Laboratorio..20
Tabla 2.3 Definicin de Constantes Elsticas......22
Tabla 2.4 Relaciones entre Constantes
Elsticas...23
Tabla 2.5 Fases Deposicionales de la Unidad Tierra Blanca Joven. .....67
CAPITULO III
Tabla 3.01 Tipos de gefonos.81
Tabla 3.02 Descripcin de las fuentes de impacto...90
Tabla 3.03 Tipos de Explosivos Industriales ms Comunes.91
Tabla 3.04 Longitud de la lnea (metros), segn cantidad de canales y separacin de
gefonos.....104
Tabla 3.05 Tabla Resumen sobre Valores Tpicos o Representativos de Campo de
Velocidades de Ondas P para Varios Materiales...147-148
Tabla 3.06 Clasificacin de los materiales, de acuerdo a la velocidad de ondas S que
presentan.......148
-
Tabla 3.07 Tabla Resumen sobre Valores Tpicos o Representativos de Campo de
Velocidades de Ondas S para Varios Materiales149
Tabla 3.08 Definicin de Constantes Elsticas....149
Tabla 3.09 Valores Tpicos o Representativos de Campo de (densidad) para Varios
Materiales...150
Tabla 3.10 Valores representativos de la relacin de Poisson150
Tabla 3.11 Relacin en la Velocidad de Ondas P y el ndice de Fracturacin
RQD.153
Tabla 3.12 Mrgenes de Velocidad Ssmica para la Definicin de la Ripabilidad en
Rocas155
Tabla 3.13 Clasificacin del suelo NHERP...157
Tabla 3.14 Correlaciones Empricas entre el Valor N del Ensayo de Penetracin
Estndar (SPT) y la Velocidad de las Ondas Ssmicas de Corte (m/s) para
Diferentes Tipos de Suelo y Edades Geolgicas..158
Tabla 3.15 Clasificacin de Suelos en la Normativa Espaola..158
Tabla 3.16 Consistencia de Arcillas y Correlacin Aproximada con el Nmero de
Penetracin Estndar N .159
Tabla 3.17 Consistencia de Suelos Arcillosos y Compacidad de Suelos Friccionantes
y su Correlacin Aproximada con el Nmero de Penetracin Estndar
N..159
Tabla 3.18 Correlacin Directa entre el Nmero de Golpes, la Compacidad Relativa
y el Angulo de Friccin Interna del Material....160
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CAPITULO IV
Tabla 4.01 Rango de Velocidades para Ondas Compresionales en Suelo y Roca.169
Tabla 4.02. Configuracin de lnea de inspeccin por refraccin..180
Tabla 4.03. Cuadro de coordenadas de los puntos utilizados para el trazo y amarre de la
lnea de inspeccin realizada en la UES.185
Tabla 4.04. Cuadro resumen de los doce valores de tiempo para los primeros arribos de
ondas detectados en cada uno de los gefonos...191
Tabla 4.05. Cuadro resumen de los doce valores de tiempo para los primeros arribos de
ondas detectados en cada uno de los gefonos...192
Tabla 4.06. Cuadro resumen de los doce valores de tiempo para los primeros arribos de
ondas detectados en cada uno de los gefonos...193
Tabla 4.07. Cuadro resumen de los doce valores de tiempo para los primeros arribos de
ondas detectados en cada uno de los gefonos...194
Tabla 4.08. Resultados de refraccin ssmica201
Tabla 4.09. Cuadro resumen de la cuantificacin y ubicacin del estrato contaminado
con orgnico y del estrato suelto208
Tabla 4.10. Cuadro resumen de los valores de N no corregidos obtenidos de la Prueba
de Penetracin Estndar en los dos sondeos realizados208
Tabla 4.11. Cuadro resumen de la simplificacin de resultados del sondeo S-1 por
Mtodo Kobayashi Obayashi, segn el Tipo de Suelo209
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Tabla 4.12. Cuadro resumen de la simplificacin de resultados del sondeo S-2 por
Mtodo Kobayashi Obayashi, segn el Tipo de Suelo210
Tabla 4.13. Cuadro resumen de la simplificacin de resultados del sondeo S-1 por
Mtodo Kobayashi Obayashi, segn Valores de N...211
Tabla 4.14. Cuadro resumen de la simplificacin de resultados del sondeo S-2 por
Mtodo Kobayashi Obayashi, segn Valores de N.212
Tabla 4.15. Nomenclatura utilizada para la identificacin de los estudios de refraccin
ssmica realizados en el municipio de San Salvador y zonas aledaas..224
Tabla 4.16 Secuencia estratigrfica geolgica de los estratos de San Salvador273
Tabla 4.17 Secuencia estratigrfica geolgica de Antiguo Cuscatln ..274
Tabla 4.18 Resultados obtenidos de Estudios de Refraccin Ssmica en rea de Antiguo
Cuscatln.275-276
Tabla 4.19 Secuencia estratigrfica geolgica de los estratos en rea de Centros
Comerciales El Espino...277
Tabla 4.20 Resultados obtenidos de Estudios de Refraccin Ssmica en rea de Centros
Comerciales El Espino278-279
Tabla 4.21 Secuencia estratigrfica geolgica de los estratos en rea de Boulevard
Orden de Malta...280
Tabla 4.22 Resultados obtenidos de Estudios de Refraccin Ssmica en rea de
Boulevard Orden de Malta.281
-
Tabla 4.23 Secuencia estratigrfica geolgica de los estratos en rea de Colonia
Escaln...282
Tabla 4.24 Resultados obtenidos de Estudios de Refraccin Ssmica en rea de Colonia
Escaln...283
Tabla 4.25 Secuencia estratigrfica geolgica de los estratos en rea de Colonia San
Benito.284
Tabla 4.26 Resultados obtenidos de Estudios de Refraccin Ssmica en rea de Colonia
San Benito..285
Tabla 4.27 Secuencia estratigrfica geolgica de los estratos en rea del Monumento Al
Salvador del Mundo...286
Tabla 4.28 Resultados obtenidos de Estudios de Refraccin Ssmica en rea de El
Salvador del Mundo.287
Tabla 4.29 Secuencia estratigrfica geolgica de los estratos en rea de Centro de San
Salvador..288
Tabla 4.30 Resultados obtenidos de Estudios de Refraccin Ssmica en rea de Centro
de San Salvador..289
Tabla 4.31 Secuencia estratigrfica geolgica de los estratos en rea de San Jacinto y
Ciudad Delgado..290
Tabla 4.32 Resultados obtenidos de Estudios de Refraccin Ssmica en rea de San
Jacinto y Ciudad Delgado...291
Tabla 4.33 Secuencia estratigrfica geolgica de los estratos en rea de San Roque..292
-
Tabla 4.34 Resultados obtenidos de Estudios de Refraccin Ssmica en rea de San
Roque..293
Tabla 4.35 Secuencia estratigrfica geolgica de los estratos en rea de Cordillera del
Blsamo..294
Tabla 4.36 Resultados obtenidos de Estudios de Refraccin Ssmica en rea de
Cordillera del Blsamo...295
Tabla 4.37 Tabla resumen de los resultados de Velocidad de Ondas P obtenidos de
Estudios de Refraccin Ssmica realizados en el municipio de San Salvador
y Zonas Aledaas...296
Tabla 4.38 Tabla resumen de los resultados de Espesores de Materiales detectados en
Estudios de Refraccin Ssmica realizados en el municipio de San Salvador
y Zonas Aledaas...297
-
FIGURAS
CAPITULO II
Figura 2.01 Pozos a Cielo Abierto Calicatas....18
Figura 2.02 Dispositivo tipo de un ensayo de columna de resonancia....24
Figura 2.03 Ensayo de corte cclico de torsin....25
Figura 2.04 Ensayo de corte cclico de torsin.......26
Figura 2.05 Resumen del origen del mtodo de Refraccin
Ssmica..27
Figura 2.06 Grafica que muestra la reflexin y la refraccin en un interplano aire-
agua.37
Figura 2.07 La Propagacin de una onda plana en el espacio se describe por la
construccin de Huygens. Ntese que el rayo (la flecha horizontal) que
representa la onda es perpendicular a los frentes de onda.39
Figura 2.08 Se muestra una reflexin interna total de la luz proveniente de la fuente
S..40
Figura 2.09 Modelo de dos capas, la inferior de mayor velocidad42
Figura 2.10 Propagacin de las ondas en un medio de dos capas.....43
Figura 2.11 Angulo critico de refraccin c..44
Figura 2.12 Mtodo de reflexin ssmica...46
Figura 2.13 Ensayo down-hole, disposicin detallada de la conexin de cables al
gefono triaxial, trigger, equipo de adquisicin y amplificador50
Figura 2.14 Esquema del ensayo cross-hole..52
-
Figura 2.15 Esquema de Ensayo MASW....56
Figura 2.16 a) Mtodo SAWS b) Arreglo comn de receptores con diferente posicin
de la fuente...59
Figura 2.17 Mapa de espesores de Tierra Blanca en San
Salvador...63
Figura 2.18 Fases Deposicionales de la Unidad Tierra Blanca
Joven...67
Figura 2.19 Resumen de la Historia de Erupciones del volcn San Salvador 70
Figura 2.20 Perfil de los depsitos de suelos presentes en San Salvador..71
CAPITULO III
Figura 3.01. Receptores o Gefonos75
Figura 3.02. Generacin de la onda por impacto sobre el terreno.......75
Figura 3.03. Equipo de Adquisicin de datos.......76
Figura 3.04. Expediente de un registro tpico observado en un sismgrafo.....77
Figura 3.05 Diagrama esquemtico del mtodo de refraccin ssmico..77
Figura.3.06 Esquema de gefono uniaxial (izquierda) y modelo de gefono vertical
LNA 102 de alta resistencia a climas extremos (derecha). ...82
Figura.3.07 Esquema de gefono biaxial (izquierda) y modelo de gefono biaxial
(derecha).82
Figura 3.08 Sensor triaxial. Cada componente de movimiento de los sensores
triaxiales tiene sus respectivos cables de conexin...84
-
Figura 3.09 Modelo de gefono triaxial. Cada componente de movimiento de los
sensores triaxiales tiene sus respectivos cables de conexin..84
Figura 3.10 Cable de conexin de gefonos...85
Figura 3.11 Sismgrafo Oyo Corporation de 24 canales ...87
Figura 3.12 Sismgrafo Modelo 16s de 12 y 24 canales.87
Figura 3.13 Unidad de control y almacenamiento.......89
Figura 3.14 Martillo y plato de golpe.94
Figura 3.15 Sistema de disparo: interruptor de martillo y cable de extensin del
trigger.94
Figura 3.15 Unidad de control y almacenamiento..96
Figura 3.16 Trazo de la lnea de inspeccin en la que se ponen marcas para ubicar c/u
de los gefonos y la fuente de energa..104
Figura 3.17 Configuraciones utilizadas para la realizacin de ensayos de Refraccin
Ssmica, utilizando cuatro puntos de disparo (sismgrafo de 12
canales).103
Figura 3.18 Configuraciones utilizadas para la realizacin de ensayos de Refraccin
Ssmica, utilizando cinco puntos de disparo (sismgrafo de 24
canales)...103
Figura 3.19 Ubicacin de cable de conexin de gefonos y disparador107
Figura 3.20 Disposicin del Equipo para el Ensayo de Refraccin Ssmica.....107
Figura 3.21 Ejemplo del registro obtenido de la fuente de energa para un punto de
disparo determinado .109
-
Figura 3.22 Ejemplo de domocrnicas (curvas t-x) obtenidas de mediciones
conjugadas111
Figura 3.23 Curvas Tiempo-Distancia para diferentes trayectorias de ondas.119
Figura 3.24 Ejemplo de un Sismograma y tipos de arribos detectados.122
Figura 3.25 Ley de las velocidades aparentes...127
Figura 3.26 Principio de Reciprocidad.127
Figura 3.27 Tiempo de intercepto en el origen......128
Figura 3.28 Aplicacin del principio de paralelismo...132
Figura 3.29 Caso Simple de Dos Capas Horizontales, y la Curva t-x......131
Figura 3.30 Ejemplo de Interfase inclinada y conceptos de mediciones
conjugadas y velocidad aparente ...137
Figura 3.31 Relacin entre la razn Vp/Vs y la Relacin de Poissn para
Tobas..151
Figura 3.32 Relacin entre la Razn Vp/Vs y el Angulo de Friccin Interna, Suelos
MH y Tobas......152
Figura 3.33 Tabla de Simplificacin, de acuerdo al Tipo de suelo..161
-
CAPITULO IV
Figura 4.01 Metodologa operativa de la refraccin ssmica....168
Figura 4.02 Ubicacin del parqueo norte de la FIA en el Mapa Geolgico de El
Salvador172
Figura 4.03 Ubicacin de lnea ssmica....177
Figura 4.04 Configuracin utilizada en el ensayo de Refraccin Ssmica178
Figura 4.05 Esquema general de la conexin de todos los elementos del equipo
utilizado en ensayo de refraccin ssmica.....183
Figura 4.06 Ubicacin de los puntos de disparo, gefonos y puntos de amarre
utilizados en el trazo de la lnea de inspeccin...184
Figura 4.07 Registro ssmico 2531......187
Figura 4.08 Registro ssmico 2532..188
Figura 4.09 Registro ssmico 2533....188
Figura 4.10 Registro ssmico 2534....189
Figura 4.11 Deteccin de primeros arribos en registro ssmico191
Figura 4.12 Deteccin de primeros arribos en registro ssmico 2532...192
Figura 4.13 Deteccin de primeros arribos en registro ssmico 2533...193
Figura 4.14. Deteccin de primeros arribos en registro ssmico 2534....194
-
Figura 4.15 Curvas tiempo-distancia lnea LR-01....195
Figura 4.16 Identificacin de estratos....196
Figura 4.17 Clculo de la velocidad (valor inverso de la pendiente) de los tres tramos
de la domocrnica 2531197
Figura 4.18 Clculo de la velocidad (valor inverso de la pendiente) de los tres tramos
de la domocrnica 2532198
Figura 4.19 Clculo de la velocidad (valor inverso de la pendiente) de los tres tramos
de la domocrnica 2533199
Figura 4.20 Clculo de la velocidad (valor inverso de la pendiente) de los tres tramos
de la domocrnica 2534200
Figura 4.21 Perfil ssmico lnea LR-01, perfil A-B....201
Figura 4.22 Esquema de ubicacin de los dos (2) sondeos con equipo de penetracin
estndar en el Parqueo Norte de la Facultad de Ingeniera y Arquitectura,
UES..204
Figura 4.23 Perfil estratigrfico de los materiales detectados en los dos sondeos
realizados con la prueba de penetracin estndar...207
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Figura 4.24 Ubicacin de Estudios de Refraccin Ssmica realizados en el Municipio
de San Salvador y Zonas Aledaas en el Mapa Geolgico de El
Salvador....224
Figura 4.25 Materiales detectados en estudio de refraccin ssmica realizado en Final
Paseo Gral. Escaln, San Salvador...228
Figura 4.26 Materiales detectados en estudio de refraccin ssmica realizado en Calle
del Mirador, Colonia Escaln, San Salvador.231
Figura 4.27 Perfiles estratigrficos de los materiales detectados en sondeos realizados
con la prueba de penetracin estndar en las proximidades de la Escuela
Militar, San Salvador....235
Figura 4.28 Perfiles estratigrficos de los materiales detectados en sondeos realizados
con la prueba de penetracin estndar en las proximidades de la Escuela
Militar, San Salvador236
Figura 4.29 Perfiles estratigrficos de los materiales detectados en sondeos realizados
con la prueba de penetracin estndar en terreno aledao a GEVESA,
sobre Boulevard Los Prceres, San Salvador...241
Figura 4.30 Perfiles estratigrficos de los materiales detectados en sondeos realizados
con la prueba de penetracin estndar en terreno aledao a GEVESA,
sobre Boulevard Los Prceres, San Salvador...242
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Figura 4.31 Materiales detectados en estudio de refraccin ssmica realizado en
Terreno ubicado en Zona Rosa, Colonia San Benito, San
Salvador..243
Figura 4.32 Materiales detectados en estudio de refraccin ssmica realizado en
carretera Prolongacin Orden de Malta y Calle a Huizcar, San Salvador-
Antiguo Cuscatln..244
Figura 4.33 Materiales detectados en estudio de refraccin ssmica realizado en
terreno aledao a Centro Comercial La Gran Via, Antiguo
Cuscatln....246
Figura 4.34 Materiales detectados en estudio de refraccin ssmica realizado en
alrededores de Colonia Pinares de Suiza, Santa Tecla...248
Figura 4.35 Materiales detectados en estudio de refraccin ssmica realizado en
alrededores de Colonia Guadalupe, Santa Tecla249
Figura 4.36 Materiales detectados en estudio de refraccin ssmica realizado en
alrededores de Colonia Las Colinas, Santa Tecla..250
Figura 4.37 Materiales detectados en estudio de refraccin ssmica realizado en
alrededores de Colonia Tierra Verde, Santa Tecla.251
Figura 4.38 Barra estratigrfica de los materiales detectados en sondeo realizado con
la prueba de penetracin estndar en Casa Presidencial, San
Salvador..252
-
Figura 4.39 Barra estratigrfica de los materiales detectados en sondeo realizado con
la prueba de penetracin estndar en Centro Recreativo de P.N.C.,
Ayutuxtepeque..254
Figura 4.40 Materiales detectados en estudio de refraccin ssmica realizado en sitio
prximo a Seminario San Jos de la Montaa, San Salvador257
Figura 4.41 Materiales detectados en estudio de refraccin ssmica realizado en
Colonia San Benito, San Salvador.258
Figura 4.42 Materiales detectados en estudio de refraccin ssmica realizado en
Universidad Centroamerica Jos Simen Caas (U.C.A.), Antiguo
Cuscatln..262
Figura 4.43 Corte geolgico a travs del rea Metropolitana de San
Salvador..298
Figura 4.44 Corte geolgico a travs del Area Metropolitana de San
Salvador..299
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FOTOGRAFIAS
Fotografa 4.01 Personal de campo requerido para realizacin de ensayo de refraccin
ssmica....170
Fotografa 4.02. Vista general del Parqueo Norte de la F.I.A., U.E.S.....178
Fotografa 4.03 Toma de referencia .179
Fotografa 4.04 Ejemplo de trazo de la lnea de inspeccin por refraccin.180
Fotografa 4.05 Colocacin de gefonos.....181
Fotografa 4.06 Colocacin del cable de conexin del disparador o trigger...182
Fotografa 4.07 Conexin de los cables de los gefonos y del disparador al
Sismgrafo.....182
Fotografa 4.08 Uso de la fuente de energa....187
Fotografa 4.09 Desarrollo de dos sondeos con equipo de penetracin estndar en el
parqueo norte de la Facultad de Ingeniera y Arquitectura, U.E.S.205
Fotografa 4.10. Muestras de suelo obtenidas de los dos sondeos realizados con el
equipo de penetracin estndar en el parqueo norte de la Facultad de
Ingeniera y Arquitectura, U.E.S...205
Fotografa 4.11 Proceso de preservacin de muestras de suelo en recipientes
hermticos (bolsas plsticas) para su transporte...206
Fotografa 4.12 Ubicacin de Estudios de Refraccin Ssmica realizados en el rea de
San Jacinto y Ciudad Delgado (CD) y en el rea del Centro de San
Salvador (CT)....225
-
Fotografa 4.13 Ubicacin de Estudios de Refraccin Ssmica realizados en el rea de
San Jacinto y Ciudad Delgado (CD) y en el rea del Centro de San
Salvador (CT)...225
Fotografa 4.14 Ubicacin de Estudios de Refraccin Ssmica realizados en el rea del
Centro de San Salvador (CT) y en el rea de San Roque (SR)..226
Fotografa 4.15 Ubicacin de Estudios de Refraccin Ssmica realizados en el rea del
Monumento Salvador al Mundo (SM), rea de Colonia Escaln (ES) y
en el rea de Colonia San Benito (S). ..226
Fotografa 4.16 Ubicacin de Estudios de Refraccin Ssmica realizados en el rea de
Antiguo Cuscatln (A); en el rea del Boulevard Orden de Malta (M),
en el rea de Centros Comerciales El Espino (E); y rea de Cordillera
del Blsamo (B)227
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UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR
FACULTAD DE INGENIERA Y ARQUITECTURA
ESCUELA DE INGENIERA CIVIL
TRABAJO DE GRADUACION:
APLICACIN DEL METODO DE REFRACCION SISMICA PARA
LA DETERMINACION DE VELOCIDADES DE ONDAS P
PRESENTADO POR:
JOSE MANUEL LOPEZ AVALOS
JULIO ANTONIO MEJIA CARRILLOS
NSTOR DANILO VEGA
PARA OPTAR AL TTULO DE:
INGENIERO CIVIL
DOCENTES DIRECTORES:
ING LESLY EMIDALIA MENDOZA (CORDINADOR)
ING. JOSE ANTONIO GONZALEZ MAGAA
ING. LUIS ADOLFO CHORRO.
CIUDAD UNIVERSITARIA, 9 DE ENERO DE 2007
-
1.1 INTRODUCCION
En sitios en los que se pretende desarrollar obras civiles de gran importancia, es
necesaria la recopilacin de informacin sobre las condiciones del subsuelo, que sirva
como herramienta al ingeniero estructural, al ingeniero geotcnico, al gelogo y al
hidrogelogo para la determinacin de parmetros tales como: la estratigrafa del sitio,
compacidad del subsuelo de fundacin, definicin del tipo de cimentacin a utilizar y su
dimensionamiento, cota de fundacin en la que se encuentra el suelo sano y firme,
ubicacin de yacimientos de rocas sanas y/o alteradas, determinacin de fallas,
determinacin del nivel fretico, etc., que derivar en costos en las etapas de
movimiento de tierras (terracera) y edificacin de obras.
En ciertas ocasiones, el Estudio de Mecnica de Suelos no provee la informacin
suficiente para definir la mayora de stos parmetros, por lo cual, es necesario
auxiliarse de mtodos alternativos, tal es el caso del Mtodo de Refraccin Ssmica.
En este documento se presentan los antecedentes previos a la realizacin de este trabajo
de graduacin APLICACIN DEL METODO DE REFRACCION SISMICA
PARA LA DETERMINACION DE VELOCIDADES DE ONDAS P, el
planteamiento del problema, las limitaciones propias, los alcances y objetivos que se
pretenden lograr, y la justificacin. As mismo, teora bsica del mtodo de refraccin
ssmica, estudios realizados de velocidades de ondas P en diferentes lugares de San
Salvador para concluir en un rango de velocidades propios de esta zona del pas, y
algunas recomendaciones que se han obtenido en el transcurso del trabajo de graduacin.
-
1
1.2 ANTECEDENTES
La prospeccin geofsica es definida como una metodologa para la deduccin de las
condiciones del subsuelo, a travs de la observacin de fenmenos fsicos relacionados
con la estructura geolgica del mismo. Originalmente, fue desarrollada para la ubicacin
de yacimientos de petrleo y otros depsitos minerales.
En la Segunda Guerra Mundial, se empez a utilizar la prospeccin geofsica para el
estudio de terrenos en zonas montaosas (rocosos) para la construccin de represas y
tneles. Posteriormente, en la dcada de 1970, se utiliz para el estudio de suelos
blandos, en reas con suelos de origen aluvial y sedimentario. Actualmente, es
empleada en investigaciones para la determinacin de la estructura geolgica superficial
de los suelos.1
La prospeccin geofsica tiene aplicaciones especficas en el campo de la Ingeniera
Civil, tal es el caso de los mtodos ssmicos (como el de refraccin ssmica, micro-
temblores o microtrepidaciones, cross-hole, down-hole, up-hole, entre otros), que sirven
para la realizacin de estudios de estabilidad y riesgos geolgicos (deteccin de fallas y
deteccin de cavidades), determinacin de parmetros dinmicos, determinacin de la
excavabilidad-ripabilidad en suelo y roca, clasificacin geomecnica del subsuelo, etc.2
En pases, tales como Chile, Colombia, Espaa y Per, se tienen antecedentes acerca de
la utilizacin del mtodo de refraccin ssmica. Se aclara tambin, que no slo en ellos
se han realizado este tipo de ensayos.
1Rosales Climent, Cristina (2001). Tesis Comportamiento Ssmico de los Depsitos de Suelos del rea del Canaveralejo, Cali, Colombia, Universidad del Valle, Santiago de Cali, Colombia. 2Rodrguez, Manuel Arlandi (2001). Geofsica Aplicada a la Obra Civil. Mtodo Geolctrico y Ssmica de Refraccin. Casos Prcticos. Geoconsult Ingenieros Consultores. Valencia, Espaa.
-
2
Para el caso de Chile, en su capital Santiago, la refraccin ssmica ha sido utilizada en la
realizacin de estudios en depsitos de cenizas volcnicas y ripios, para proyectos con
fines urbansticos e industriales.3
Para el caso de Colombia, la refraccin ssmica ha sido utilizada en estudios para la
determinacin del efecto ssmico local conocido como efecto de sitio, en donde se ha
evaluado el comportamiento ssmico de los terrenos en el entorno urbano.1
Para el caso de Espaa, la refraccin ssmica es uno de los mtodos ms habituales en
los trabajos de geologa y geotecnia, en donde se utiliza, junto con la tomografa
elctrica, en casi el 90% de los trabajos geofsicos que se desarrollan en el mbito de los
estudios geotcnicos, para la redaccin de proyectos de obras lineales (carreteras y
ferrocarriles).2
Para el caso de Per, la refraccin ssmica se ha utilizado en estudios realizados en
minas, para la determinacin de perfiles ssmicos, definicin del nivel del suelo firme o
basamento rocoso y en la identificacin de las caractersticas de resistencia de los
materiales existentes en el depsito investigado.4
Finalmente en El Salvador, los mtodos ssmicos (especialmente el de refraccin
ssmica) se han aplicado desde hace algn tiempo, desconocindose con exactitud la
fecha en que fueron realizados los primeros ensayos, ya que han sido efectuados por
pocas instituciones de carcter privado (y cuyos resultados no son de manejo pblico),
3 Ampuero S. Alejandro (1999): Velocidades de Onda medidas en Santiago con el Ensayo de Refraccin Ssmica, Pontificia, Universidad Catlica de Chile. Santiago de Chile. 4MSc. Ing. Huamn Egovil-Bach, Carlos (1999). Programa Cientfico PC-CISMID Implementacin del Equipo de Adquisicin de datos de Prospeccin Ssmica, Universidad Nacional de Ingeniera, Lima, Per.
-
3
debido a causas tales como el alto costo del equipo y el poco conocimiento de los
mtodos.
Se estima que la aplicacin de los mtodos ssmicos para fines geotcnicos; inici en
nuestro pas con el mtodo de reflexin ssmica en el ao 1960-1962 en la planta
hidroelctrica de la chorrera del guayabo con motivo de la instalacin de la cuarta
unidad generadora.5
En el ao de 1976, se utilizo el mtodo de refraccin ssmico para el diseo de la
Autopista a Comalapa.6
En el ao de 1984, se utiliz el mtodo de refraccin ssmica para la obtencin de
propiedades dinmicas de los suelos del rea Metropolitana de San Salvador
(A.M.S.S.). La aplicacin de este mtodo fue realizada por la empresa Rivera
Harrouch, S.A. de C.V.7
En el ao de 1988, se realizaron estudios geotcnicos con el mtodo Down-Hole, en
algunos municipios del AMSS (San Salvador, Ciudad Delgado, Apopa y Antiguo
Cuscatln) llevados a cabo por la empresa Consorcio Italiano, para la determinacin de
la velocidad de ondas ssmicas en los 15 metros superiores del estrato de Tierra Blanca,
5Gonzles Garca, Jos Alberto (1966). Tesis Principios de Geofsica Exploratoria, Su Aplicacin en los Estudios del Campo Geotrmico de Ahuachapn. Universidad de El Salvador (U.E.S.). San Salvador, El Salvador. 6 Gonzlez, Jos Antonio.(2007). Entrevista Estudios Realizados con Refraccin Ssmica en El Salvador CONTECSA. San Salvador, El Salvador. 7Linares Elizondo, Roberto (1985). Tesis Microzonificacin Ssmica del A.M.S.S. basada en Observacin de Micro-temblores, Espectros de Respuesta y Registros de Sismocpios. Universidad Centroamericana (U.C.A.). San Salvador, El Salvador.
-
4
con el fin de confirmar el efecto amplificador de los movimientos ssmicos a los cuales
se ve sometido dicho estrato.8
En el ao 2003 se realizaron ensayos de refraccin ssmica en las actuales instalaciones
de Casa Presidencial y del Centro Recreativo de la Polica Nacional Civil (PNC), para la
determinacin del periodo de respuesta del suelo. La aplicacin de este mtodo fue
realizada por la empresa Consultora Tcnica, en Antiguo Cuscatln y Ayutuxtepeque,
respectivamente.9
Tambin, en los aos 2003 y 2005, se utiliz la refraccin ssmica para el diseo de la
Prolongacin del Boulevard Orden de Malta - Autopista a Comalapa, as como en el
diseo de la Prolongacin del Boulevard Diego de Holgun - CA1; los cuales fueron
realizadas por la empresa Consultora Tcnica.6
En el ao 2005, se realiz una investigacin acerca de la influencia en la interaccin
dinmica suelo-estructura para un edificio en particular (como lo es el Hotel Real
Intercontinental), en la que se utiliz el mtodo de refraccin ssmica para la
determinacin de parmetros dinmicos del suelo que se utilizan en la realizacin de
un modelo para la obtencin de la respuesta mxima de la estructura.10
Segn estudios realizados con el Mtodo Down-Hole, la velocidad de ondas ssmicas
en los 15 metros superiores de las capas de suelo, tipo Tierra Blanca, es del orden de
8 Consorcio Salvador E. Italtekna, Italconsult (1988): Informe Geolgico + Apndice San Salvador Programma di Ricostruzione Valutazione Della pericolosit sismica nelle aree del distretto Sanitario A3 (San Salvador) e del distretto 7 (Apopa). San Salvador, El Salvador. 9 Estupinin Mendoza, Rubn (2003). Tesis Investigacin de las Propiedades Dinmicas de los Suelos de San Salvador, Universidad Albert Einstein (U.A.E.). San Salvador, El Salvador. 10 Chorro, Mauricio Ren (2006). Tesis Anlisis y Verificacin de Interaccin Dinmica Suelo-Estructura. U.C.A. San Salvador, El Salvador.
-
5
unos 200 m/s, lo cual indica un suelo bastante blando, que denota un efecto
amplificador. Los suelos tipo Tierra Blanca, son los que ms predominan en el
A.M.S.S. y se clasifican como arenas limosas o limos arenosos muy poco
consolidados, cuyo espesor mximo vara entre 30 y 50 metros.
1.3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El anlisis del suelo como material de cimentacin, a travs de un Estudio de Mecnica
de Suelos, se ha desarrollado en El Salvador por medio de mtodos convencionales de
investigacin subsuperficial, como por ejemplo, sondeos por medio de hincado de
cucharas muestreadoras (S.P.T.), pozos a cielo abierto o calicatas, sondeos mecnicos
rotativos, entre otros. Las secciones geolgicas del subsuelo, definidas a partir de la
interpolacin y extrapolacin de los sondeos mecnicos ejecutados, muchas veces se
traducen en serios problemas durante la etapa constructiva, ya que generalmente el
subsuelo es muy heterogneo y presenta bruscos cambios laterales que no siempre son
detectados a travs de sondeos, debido a que un sondeo solo es representativo de su eje
vertical. Ante estos mrgenes de incertidumbre y los frecuentes problemas en
importantes obras de ingeniera, los pases desarrollados comenzaron a utilizar, cada vez
ms, los avances tecnolgicos de la exploracin geofsica, a fin de zonificar, horizontal y
verticalmente, todo el subsuelo de inters, antes de proceder a ejecutar los sondeos
mecnicos necesarios. Estos ensayos de exploracin geofsica son un complemento de
los mtodos convencionales de exploracin del subsuelo para la obtencin de
informacin ms detallada del mismo
-
6
Actualmente existen mtodos modernos de exploracin geofsica, tales como los
mtodos ssmicos (Refraccin y Reflexin Ssmica, Down-Hole, Up-Hole, Cross-Hole,
entre otros) que son utilizados para proveer informacin relevante sobre las condiciones
geotcnicas y geolgicas de sitios de inters. Los mtodos anteriormente mencionados,
se basan especficamente en el anlisis de las velocidades de ondas ssmicas, y cuentan
con equipos asistidos por software especializados, diseados para el procesamiento e
interpretacin de los datos obtenidos de ensayos de campo. Las ventajas que presentan,
por citar algunas, son: la reduccin del tiempo de ejecucin de las pruebas de campo,
permiten la prospeccin de grandes extensiones de terreno, permiten un anlisis ms
detallado del subsuelo cuando se combina con el ensayo de penetracin estndar, etc.
Los mtodos ssmicos son utilizados en estudios de microzonificacin ssmica, estudios
de estabilidad y riesgos geolgicos (deteccin de fallas y deteccin de cavidades),
determinacin de parmetros dinmicos del terreno, clasificacin geomecnica del
terreno, zonificacin e identificacin del subsuelo, determinacin de la profundidad
hasta la roca base, determinacin del grado de calidad y desgarrabilidad (ripeabilidad o
ripabilidad) de las rocas, etc., en la que dicha informacin es de gran utilidad para
diferentes reas de aplicacin en la Ingeniera Civil.
En El Salvador, el Mtodo de Refraccin Ssmica es el que puede tener mayor
aplicacin en el rea de Ingeniera Civil, por la sencillez en la realizacin del ensayo,
facilidad en el manejo y transporte del equipo, su bajo costo en comparacin con otros
mtodos de exploracin geofsica y la informacin del subsuelo que proporciona dicho
ensayo.
-
7
El problema consiste en que el Mtodo de Refraccin Ssmica es muy poco utilizado en
El Salvador , debido a la poca difusin del mtodo, otros problemas son: el elevado
costo del equipo, poca demanda de profesionales especializados en la rama de geofsica,
recursos limitados para la implementacin de una carrera especializada en geofsica
dentro de las universidades del pas y la falta de exigencia en la aplicacin de este tipo
de exploraciones para el estudio del subsuelo dentro de la normativa de diseo y
construccin de obras civiles.
Con lo anteriormente expuesto, la idea central de este trabajo de graduacin se basa en
la descripcin del mtodo de Refraccin Ssmica, la presentacin de la metodologa
para la realizacin del ensayo, la realizacin de un ensayo de refraccin ssmica y la
corroboracin de los resultados obtenidos por medio de la realizacin de sondeos con el
Ensayo de Penetracin Estndar (S.P.T.) dentro de las instalaciones de la Universidad de
El Salvador, la presentacin de las ventajas de dicho mtodo, y finalmente poder
determinar, en base a datos disponibles de ensayos de refraccin ssmica anteriormente
realizados en ciertos puntos de San Salvador, el rango de velocidades de las ondas P,
para los tipos de suelo ms comunes de esta zona del pas.
1.4 JUSTIFICACION
La justificacin en la realizacin de este trabajo de graduacin radica en la presentacin
del mtodo de refracciona ssmica como herramienta de gran valor para la Ingeniera
Civil, cuyo uso en otros pases ha logrado buenos resultados en la determinacin de
parmetros de diseo que estn directamente ligado a la magnitud de las obras a ejecutar
-
8
y cuyo uso se pretende promover, debido a que en El Salvador existe muy poca difusin
de l por la falta de formacin de profesionales en la rama de geofsica por parte de las
universidades del pas.
Con esta investigacin se pretende crear un documento que sirva como base a los
profesionales de la Ingeniera Civil para que conozcan la metodologa de aplicacin del
Mtodo de Refraccin Ssmica de Ondas P, sus ventajas y desventajas as como su
utilidad. Finalmente se pretende conocer el rango de velocidades de Ondas P
encontradas en algunos tipos de suelos del municipio de San Salvador a partir de
resultados de ensayos de refraccin ssmica anteriormente realizados.
1.5 OBJETIVO GENERAL
Aplicar el Mtodo de Refraccin Ssmica para la Determinacin de Velocidades de
Ondas P.
1.5.1 OBJETIVOS ESPECIFICOS
1. Recabar informacin sobre los fundamentos de la Teora de las Ondas Ssmicas
(especficamente de las Ondas P) y de la Teora de Refraccin de Ondas.
2. Realizar una investigacin bibliogrfica sobre los mtodos de Prospeccin
Ssmica de inters para el rea de Geotecnia, especficamente sobre el Mtodo de
Refraccin Ssmica de Ondas P, la normativa que lo rige, ventajas y desventajas
del mtodo, sus aplicaciones y los factores que influyen en el desarrollo del
mismo.
-
9
3. Describir la metodologa para el desarrollo del Mtodo de Refraccin Ssmica de
Ondas P, segn la Norma ASTM D-5777 Standar Guide for Using the Seismic
Refraction method for Subsurface Investigation
4. Realizar un ensayo con el Mtodo de Refraccin Ssmica de Ondas P y un
ensayo Penetracin Estndar dentro de las instalaciones de la Universidad de El
Salvador para determinar el perfil de velocidades de Ondas P.
5. Obtener la clasificacin de las Ondas P, con la ayuda de las velocidades de
propagacin obtenidas de otros ensayos de refraccin ssmica que se hayan
realizados anteriormente dentro del municipio de San Salvador y en zonas
aledaas, y que adems, se encuentren disponibles en el tiempo de ejecucin de
este trabajo de graduacin.
6. Poner al alcance del Gremio de Ingenieros Civiles un documento que presente
los usos y aplicaciones ms importantes del Mtodo de Refraccin Ssmica como
complemento al estudio de suelos, y a la vez promover su difusin.
1.6 ALCANCES
1. Recopilar informacin bibliogrfica acerca de los mtodos de Prospeccin
Geofsica, especficamente de Prospeccin Ssmica.
2. Recopilar informacin bibliogrfica del mtodo de Refraccin Ssmica de Ondas
P.
3. Conocer las limitantes, ventajas y desventajas que el mtodo de Refraccin
Ssmica de Ondas P presenta.
-
10
4. Describir la metodologa del ensayo, en funcin de la Norma ASTM D-5777.
Standar Guide for Using the Seismic Refraction method for Subsurface
Investigation
5. Establecer el rango de valores de la velocidad de Ondas P en algunas zonas del
Municipio de San Salvador.
1.7 LIMITANTES
1. Acceso a informacin bibliogrfica, en idioma castellano, referente al Mtodo
de Refraccin Ssmica, sus aplicaciones, limitantes, ventajas y desventajas que
presenta, relaciones entre los resultados de este mtodo con parmetros
mecnicos y dinmicos del suelo, etc.
2. La poca utilizacin del Mtodo de Refraccin Ssmica, por parte de empresas
especializadas en la rama de Geotecnia, por la falta de exigencia en la normativa
de diseo y construccin de obras civiles para la aplicacin de este mtodo en la
realizacin de estudio del subsuelo; el alto costo del equipo y la poca difusin del
mtodo.
3. Acceso al equipo para la realizacin de un ensayo de refraccin ssmica en las
instalaciones de la Universidad de El Salvador, debido a que dicha institucin
educativa no cuenta con equipo propio.
4. Acceso a resultados de Estudios de Velocidades de Ondas P con el mtodo de
refraccin ssmica, que se hayan realizado con anterioridad por empresas
especializadas en la rama de Geotecnia.
5. El tiempo disponible para el desarrollo de este Trabajo de Graduacin.
-
11
1.8 METODOLOGA DE LA INVESTIGACIN.
La metodologa a seguir para el desarrollo secuencial del presente trabajo de graduacin
se dividir de la siguiente forma:
1. Visitas a empresas e instituciones que desarrollan y aplican el Mtodo de
Refraccin Ssmica en El Salvador, con el objeto de obtener asesora y apoyo
tcnico para la realizacin de esta investigacin.
2. Entrevista con ingenieros especialistas en el rea de geotecnia y sismologa para
la obtencin de asesoras externas para el desarrollo de este trabajo de
graduacin.
3. Presenciar la ejecucin de ensayos de Refraccin Ssmica para observar y
aprender la metodologa de dicho mtodo, especficamente, los elementos que
componen el equipo, la ubicacin, instalacin y distribucin de los mismos,
recoleccin y almacenamiento de datos provenientes de la ejecucin de los
ensayos, personal de campo para la aplicacin del mtodo, el trabajo que se
realiza en oficina respecto a la interpretacin de los resultados, con auxilio de un
software especfico y de personal especializado, etc.
4. Recoleccin de los resultados obtenidos de varios ensayos de refraccin ssmica
desarrollados en el municipio de San Salvador, con el fin de establecer un rango
de velocidades de las Ondas P en los suelos presentes en los stios donde se
realicen dichos ensayos. Esta informacin ser proporcionada por empresas que
desarrollan este tipo de pruebas en el municipio de
San Salvador.
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12
5. Investigar acerca del Mtodo Refraccin Ssmica, en fuentes bibliogrficas tales
como: tesis de trabajos de graduacin, libros, manuales, apuntes de clase de
Mecnica de Suelos, Normas ASTM, revistas especializadas de Geofsica y
Geotecnia e Internet, para reforzar y ampliar los conceptos relacionados con la
aplicacin de dicho mtodo.
-
13
CAPITULO II
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14
2.1 INTRODUCCION.
El presente captulo tiene como objetivo la presentacin sistemtica del Marco Terico
del Trabajo de Graduacin Titulado Aplicacin del Mtodo de Refraccin Ssmica para
la Determinacin de Ondas P, el cual muestra la ubicacin del Mtodo de Refraccin
Ssmica dentro de los mtodos utilizados por la Geotecnia para la realizacin de estudios
de exploracin del subsuelo.
Las investigaciones con fines geotcnicos realizan dos tipos de ensayos, lo cuales son
realizados de manera consecutiva y complementaria: Ensayos de Campo y Ensayos de
Laboratorio; la finalidad de ambos es la obtencin de informacin acerca de parmetros
del suelo.
Los ensayos de campo se dividen, de acuerdo a la obtencin de muestra de suelo, en
directos e indirectos. Dentro de estos ltimos estn ubicados los mtodos geofsicos,
utilizados para la determinacin de la estructura geolgica superficial de los suelos, por
medio de la medicin de fenmenos fsicos tales como la variacin del campo
gravitatorio (gravimtrico), el campo magntico (magntico), potencial elctrico
(elctricos) y velocidades de propagacin de ondas (ssmicos). Los mtodos ssmicos
son los de mayor inters en el desarrollo de este capitulo, siendo los ms utilizados:
Mtodo Up-Hole, Down-Hole y Cross-Hole; Mtodo de Medicin de Ondas
Superficiales MASW y SASW; Mtodo de Reflexin y Refraccin Ssmica, donde la
aplicacin de este ltimo es el objeto del desarrollo de esta investigacin.
Finalmente se presenta un apartado acerca del origen geolgico y composicin de los
suelos del municipio de San Salvador, en la cual se menciona la definicin, origen y
-
15
mapa de espesores de Tierra blanca en el municipio de San Salvador as como la
composicin de los suelo de dicho municipio.
La importancia del desarrollo de este capitulo radica en la presentacin del mbito que
rodea al mtodo de refraccin ssmica como mtodo de investigacin del subsuelo.
2.2 EXPLORACION DEL SUBSUELO.
La geotecnia es la rama de la Ingeniera Civil que se encarga del estudio de las
propiedades mecnicas, hidrulicas e ingenieriles de los materiales provenientes de la
Tierra. Esta se divide en el estudio de parmetros propiedades relacionadas a la
mecnica de suelos, mecnica de rocas y dinmica de suelos.
Los ingenieros geotcnicos investigan tanto suelos como rocas que se encuentran por
debajo de la superficie, con la finalidad de determinar sus respectivas propiedades y con
ello, disear las cimentaciones para estructuras tales como: edificios, puentes, centrales
hidroelctricas, etc.
La geotecnia realiza dos tipos de ensayos: Ensayos de campo y Ensayos de laboratorio.
2.2.1 SONDEOS MECANICOS Y CALICATAS.
La investigacin del subsuelo, consiste en la realizacin de un programa detallado de
ensayos de campo, para la obtencin de informacin sobre las condiciones geolgicas
de un sitio en particular, la cual ser necesaria en las etapas diseo y construccin de
obras.
El tipo de ensayo de campo a realizar depende de factores tales como: tipo de proyecto a
desarrollar (edificios, carreteras, presas, viviendas, etc.), geologa del sitio, tipo de suelo
-
16
encontrado, tecnologas disponibles, experiencia del personal tcnico en la ejecucin de
las labores de campo, obtencin y traslado de las muestras, entre otros, para la
determinacin de parmetros del subsuelo.
En la tabla 2.01, se muestra la clasificacin de los diferentes mtodos de campo para la
exploracin del subsuelo.
Ensayos de
Campo
A. Ensayos Directos
1. Sondeos Mecnicos
a. Sondeos Preliminares
- Mtodo de Penetracin Estndar (SPT)
-Mtodo de Lavado.
-Mtodo de Penetracin Cnica.
b. Sondeos Definitivos
-Mtodo de Pared Delgada Shelby
-Muestreo con Tubo Sueco.
-Muestreo con Tubo de Pistn.
-Muestreo con Tubo Doble Giratorio Denison.
-Muestreo Rotatorio para Roca.
2. Calicatas o Pozos a Cielo Abierto
B. Ensayos Indirectos
1. Penetraciones Dinmicas
- Prueba de Penetracin Dinmica Sper Pesada(D.P.S.H.) - Borros.
2. Ensayos Geofsicos.
a. Mtodo Gravimtrico
b. Mtodo Magntico
c. Mtodos Elctricos.
d. Mtodos Ssmicos.
-Mtodo Up-Hole
-Mtodo Down-Hole
-Mtodo Cross-Hole
-Mtodo de Reflexin Ssmica.
-Mtodo de Refraccin Ssmica.
-Mtodo MASW
-Mtodo SASW
Tabla 2.01 Clasificacin de Ensayos de Campo para la Exploracin del Subsuelo.11
11 Garca Hermoso, Fernando (2006). Estudios Geotcnicos Escuela Politcnica Superior, Huesca, Espaa.
-
17
2.2.1.1 SONDEOS MECANICOS.
En nuestro pas, el Ensayo de Penetracin Estndar (ASTM D-1586) es el mtodo
convencional ms usado en la realizacin de sondeos para exploracin del subsuelo,
debido a su rapidez, economa y porque sus resultados son representativos, sin embargo
existe la prctica de utilizar la cuchara muestreadora de este equipo como nica
herramienta de avance, lo que no esta permitido por la Norma. Este ensayo consiste en
contar el nmero de golpes necesarios para hincar 30 cm una cuchara muestreadora, con
ayuda de un martillo de 65 Kg que se deja caer de una altura de 75 cm Bsicamente se
divide en dos etapas: la perforacin de un agujero y la toma de muestra en seco. El
mtodo proporciona al final una idea de la resistencia del material.
Ventajas de los Sondeos Mecnicos.
Obtencin de muestra inalterada en toda la columna.
Alcanzan grandes profundidades.
Permite reconocer estratos del terreno bajo el nivel fretico.
Atraviesa capas de roca de alta resistencia.
Desventaja de los Sondeos Mecnicos.
Los sondeos son representativos de un punto especfico.
Las secciones geolgicas del subsuelo son definidas a partir de la interpolacin y
extrapolacin de sondeos mecnicos ejecutados.
Los sondeos no siempre detectan cambios bruscos laterales en el subsuelo.
Dificultad de recobro en suelos demasiado sueltos.
-
18
2.2.1.2 CALICATAS.
Se considera que este mtodo es el ms satisfactorio para conocer las condiciones del
subsuelo, ya que consiste en hacer excavaciones en el lugar, hechas manualmente o por
medio de maquinaria.
Dichas excavaciones pueden ser de entre 1.5 a 2.0 m de dimetro (si es circular) y de 1.5
m a 2.0 m por lado (si es cuadrada). Tales dimensiones tienen la finalidad de facilitar el
acceso para que una persona pueda bajar y examinar los diferentes estratos en su estado
natural, con el objeto de obtener informacin acerca de las condiciones precisas
referentes al agua contenida en el subsuelo as como la realizacin de ensayos in situ
(ver figura 2.01).
Figura 2.01 Pozos a Cielo Abierto Calicatas11
-
19
Ventajas de las Calicatas:
Facilidad en la obtencin de muestras alteradas e inalteradas representativas de
las condiciones existentes del sitio en estudio.
Observacin directa y amplia de la estratigrafa del lugar.
Determinacin de las condiciones referentes a la humedad natural del suelo.
Realizacin de diferentes ensayos in situ tales
Rapidez de ejecucin.
Desventajas:
Profundidad de reconocimiento limitada
Materiales necesariamente escarificables con retroexcavadora
Desmoronamiento en paredes de Calicatas.
Alteracin de las caractersticas resistentes del terreno debido al proceso de
excavacin.
Presencia de nivel fretico
2.2.2 ENSAYOS DE LABORATORIO.
Los ensayos de laboratorio son realizados en especmenes que se asumen, sern
representativos de una masa mayor de suelo. Los especmenes son ensayados como
elementos (estos son sujetos a un esfuerzo uniforme inicial, y una condicin de cambio
uniforme de esfuerzo o deformacin). En otros ensayos de laboratorio, los especimenes
son ensayados como modelos, y los resultados deben ser interpretados en trminos de la
no uniformidad de las condiciones de frontera actuando en el modelo. Los ensayos de
-
20
laboratorio usados en la obtencin de propiedades dinmicas y mecnicas del suelo se
resumen en la Tabla 2.02.
Ensayos de
Laboratorio
A. Propiedades Dinmicas
1. Ensayos de Baja Deformacin
a. Columna Resonante.
Wn, E, D, G
b. Pulso Ultrasnico.
Vs, Vp
c. Flector Piezoelctrico.
Vs
2. Ensayos de Alta Deformacin
a. Triaxial Cclica. G, D
b. Corte Directo.
c. Corte Torsional Cclica
G, D
B. Propiedades Mecnicas
1. Permeabilidad
a. Permeabilidad
b. Granulometra
2. Resistencia a. Triaxial.
b. Corte Directo.
3. Deformabilidad
a. Lmites de Consistencia (Atterberg).
b. Consolidacin.
Tabla 2.02. Clasificacin de los Ensayos de Laboratorio.12
En este documento se presentar un resumen de los ensayos de laboratorio para la
determinacin de parmetros de inters en la dinmica de suelos, debido a que los
mismos son utilizados para corroborar los resultados obtenidos en ciertas aplicaciones de
mtodos geofsicos (especficamente de los mtodos ssmicos) y que servirn para el
entendimiento de las propiedades del suelo que influyen en la propagacin de las ondas
elsticas. Dichos mtodos sern presentados en el apartado 2.2.2.1 de este documento.
12 Campos, Susan (2003): Apuntes de Clases Clasificacin de los Ensayos de Laboratorio
-
21
2.2.2.1 ENSAYOS DE LABORATORIO PARA LA DETERMINACION DE
PROPIEDADES DINAMICAS DE LOS SUELOS.
Muestreo.
Para aquellos problemas que involucran la respuesta de suelos a ser utilizados en
rellenos, los especimenes deben ser construidos de muestras brutas o alteradas,
simulando el proceso de compactacin tan real como sea posible. Cuando la
determinacin de las propiedades de un suelo es necesaria, el problema se vuelve ms
complejo. Los ensayos en suelos deben ser realizados en especimenes inalterados o
reconstituidos. Aunque, en muchas ocasiones, los resultados sern muy variables entre
ambos, debido a las diferencias en la estructura del suelo entre los especimenes, an
cuando las densidades y la aplicacin de esfuerzos sean similares.
Por otra parte, la seleccin de los mtodos de ensayos apropiados (tanto de campo como
de laboratorio) usados para la determinacin de parmetros de inters en la ingeniera
requieren de la compresin del nivel de esfuerzo (directamente relacionado al nivel de
deformacin) asociado con dichos ensayos. Existe una variedad de ensayos de
laboratorio que miden el comportamiento de los suelos sometidos a bajo y alto esfuerzo.
El uso de ensayos a un bajo nivel de esfuerzo (con deformaciones unitarias menores a
510 ) permite el uso de la teora elstica para asociar las mediciones con propiedades
mecnicas y en la cual la mayor parte de la repuesta es lineal. A un nivel de esfuerzo
intermedio (con deformaciones unitarias menores a 410 ), esta respuesta comienza a
comportarse como elstico-no lineal. Finalmente, a un mayor esfuerzo (con
-
22
deformaciones unitarias mayores a 310 ) el suelo se comportar como un medio
inelstico-no lineal y comenzar a experimentar deformaciones permanentes (plsticas)
y eventualmente alcanza una condicin inestable.
Los ensayos de laboratorio de inters en la determinacin de constantes elsticas en
medios istropos, conocidos tambin como parmetros dinmicos del suelo (ver tabla
2.03 y tabla 2.04), se dividen en:
Ensayos de Baja Deformacin.
Ensayos de Alta Deformacin.
Nombre Smbolo Definicin
Mdulo de Young
Mdulo de Elasticidad
E
Esfuerzo Longitudinal . Deformacin Longitudinal
Mdulo de Corte Mdulo de Rigidez
G
Esfuerzo Cortante . Deformacin Cortante
Razn de Poisson
Deformacin Longitudinal. Deformacin Transversal
Mdulo Bulk
K
Presin Hidrosttica . Deformacin Volumtrica
Tabla 2.03. Definicin de Constantes Elsticas.13
13Foti, Sebastiano (2000): Thesis PhD Degree in Geotechnical Engineering Multistation Methods for Geotechnical Characterization using Surface Waves. Politecnico di Torino, Italy.
-
23
, G, E, K, G
*
21
2
G
211
E
GK3
2
G
G
12E
G
K
3
23
213
12
G
213 E
K
E
23
G12
E
GK
KG
3
9
2
GKGK
32
23
*: Constante elstica de Lame
Tabla 2.04 Relaciones entre Constantes Elsticas13
Ensayos de Baja Deformacin.
a) Ensayo de Columna Resonante: El ensayo de columna resonante es el ensayo de
laboratorio ms comn para medir la frecuencia fundamental n del suelo, la
cual es una funcin de la rigidez de baja deformacin del suelo, la geometra del
espcimen, y ciertas caractersticas del aparato con que se realiza el ensayo (ver
figura 2.02).
b) Ensayo de Pulso Ultrasnico: Las velocidades de propagacin de ondas pueden
ser medidas en laboratorio, mediante ensayos de Pulso Ultrasnico. El pulso
ultrasnico es particularmente til para materiales blandos, como sedimentos
marinos, ya que puede ser realizado mientras el suelo se encuentra en el tubo de
muestreo.
-
24
Figura 2.02 Dispositivo tipo de un ensayo de columna de resonancia.14
c) Ensayo de Flector Piezoelctrico: Permite medir la velocidad de onda de corte
en especimenes de laboratorio. Un pulso de voltaje es aplicado al elemento
transmisor, que causa que se produzca una onda S
Ensayos de Alta Deformacin.
A altas amplitudes de deformaciones de corte, los suelos generalmente muestran una
tendencia al cambio de volumen. Bajo condiciones de carga drenadas, esta tendencia se
ve permitida a manifestarse a s misma en la forma de deformacin volumtrica, pero
bajo condiciones no drenadas, esto resulta en cambios en la presin de poros y
obviamente, en los esfuerzos efectivos. Ya que el comportamiento del suelo est
controlado por los esfuerzos efectivos, todos los mtodos de ensayo de suelos a altos
14 www.cedex.es
-
25
niveles de deformacin, deben de ser capaces de controlar el drenaje del espcimen y
medir los cambios de volumen y presin de poros en forma precisa. El problema de la
conformidad del sistema (el volumen cambia debido al aparato de ensayo, ms que por
el suelo), que puede llevar a errores en el cambio de volumen y medicin de presin de
poro, es importante en la interpretacin de los resultados del ensayo de alta deformacin.
a) Ensayo Triaxial Cclico: Es el mtodo mas comn en laboratorio para medir las
propiedades del suelo bajo cargas estticas. Y ha sido el ensayo mas usual para
medir las propiedades dinmicas del suelo a altas deformaciones (ver figura
2.03).
Figura 2.03 Ensayo de corte cclico de torsin.14
b) Ensayo de Corte Directo: Este ensayo es capaz de reproducir esfuerzos
producidos por terremotos de forma ms precisa que el ensayo triaxial cclico. Su
uso ms comn se enfoca en ensayos de licuefaccin (ver figura 2.04).
-
26
Figura 2.04 Ensayo de corte cclico de torsin.14
c) Ensayo de Corte Torsional Cclico: Este ensayo es til para medir la rigidez y
amortiguamiento en un amplio rango de niveles de deformacin.
Como resumen del origen del mtodo de Refraccin Ssmica se muestra en la figura 2.05
-
27
Figura 2.05 Resumen del origen del mtodo de Refraccin Ssmica.11
GEOTECNIA
ENSAYOS DE
CAMPO
ENSAYOS DE
LABORATORIO
ENSAYOS DIRECTOS
ENSAYOS
INDIRECTOS
PROPIEDADES
MECANICAS
PROPIEDADES
DINAMICAS
SONDEOS MECNICOS
CALICATAS
PENETRACIONES DINAMICAS
GEOFISICA
ELECTRICOS
GRAVIMETRICOS
MAGNETICOS
SISMICOS
REFLEXION
REFRACCION
UP-HOLE
DOWN-HOLE
CROSS-HOLE
MASW
SASW
-
28
2.3 METODOS GEOFISICOS DE EXPLORACION.
2.3.1 METODOS GEOFISICOS
La prospeccin geofsica es definida como una metodologa para la deduccin de las
condiciones del subsuelo a travs de la observacin de fenmenos fsicos (naturales o
artificiales) relacionados con la estructura geolgica del subsuelo. Originalmente fue
desarrollada como un mtodo efectivo para la prospeccin del petrleo y otros depsitos
de minerales.1
Despus de la segunda guerra mundial se empez a utilizar para el estudio de terrenos en
zonas montaosas (rocosos) para la construccin de represas y tneles. Posteriormente,
en la dcada 1970, se utiliz para el estudio de suelos blandos, en reas con suelos de
origen aluvial y sedimentario.
Actualmente es empleada en investigaciones para la determinacin de la estructura
geolgica superficial de los suelos.
Objetivo de los Mtodos Geofsicos.
Determinar propiedades fsicas del terreno.
Determinaciones geolgicas como estratigrafa de los materiales.
Disposicin de heterogeneidades, fallas, nivel fretico.
Determinar propiedades de los suelos y rocas para deducir su
comportamiento mecnico
Entre los Mtodos Geofsicos ms utilizados en la actualidad se pueden citar:
a) Mtodo Gravimtrico.
-
29
b) Mtodo Magntico.
c) Mtodos Elctricos.
d) Mtodos Ssmicos.
2.3.2 METODO GRAVIMETRICO.
Este mtodo se basa en el estudio de la variacin del componente vertical del campo
gravitatorio terrestre, y con el cual se realizan mediciones relativas de las variaciones
laterales de la atraccin gravitatoria de un lugar a otro, puesto que con estas mediciones
se puede lograr una precisin satisfactoria, en comparacin con las mediciones del
campo gravitatorio absoluto.
El mtodo gravimtrico se emplea en hidrologa subterrnea, como un mtodo de
reconocimiento general para la definicin de los lmites de los acuferos (profundidad de
las formaciones impermeables, extensin de la formacin acufera, naturaleza y
estructura de las formaciones del subsuelo), deteccin de cavidades, relimitacin de
zonas de relleno o yacimientos arqueolgicos.
2.3.3 METODO MAGNETICO.
La tierra es un imn natural que da lugar al campo magntico terrestre. Las pequeas
variaciones de este campo pueden indicar la presencia, en profundidad, de sustancias
magnticas. El mtodo magntico se utiliza para la obtencin de informacin sobre el
basamento y ubicacin, en profundidad, de dichas sustancias, particularmente para
entornos cristalinos y metamrficos. De igual manera, es una herramienta til para la
-
30
realizacin de estudios de la geologa regional y estructural. Este mtodo mide las
anomalas del campo magntico y se emplea en investigaciones mineras.
2.3.4 METODOS ELECTRICOS.
Estos mtodos miden los campos de potencial elctrico, tanto naturales (existentes en la
corteza terrestre) como artificiales, utilizando para ello las variaciones de las
propiedades elctricas (resistividad, conductividad, actividad electroqumica o constante
dielctrica), tanto de rocas (minerales) como del agua que rellena sus poros.
Los mtodos elctricos se emplean como mtodos de reconocimiento y de detalle, en la
investigacin de aguas subterrneas. Los mapas de isoresistividad obtenidos a partir de
ellos, permiten definir los lmites del acufero, el nivel del agua en los acuferos, la
presencia de agua salada y permite la cartografa de las unidades litolgicas.
2.4 METODOS SISMICOS.
Se basan en la medicin de variaciones de velocidad de propagacin de ondas de
choque, producidas de forma natural (sismos) artificial (por un impacto en el suelo o
por una explosin), con los cuales se puede obtener una imagen aproximada de la
estratigrafa del terreno.
Los mtodos ssmicos ms utilizados son: Mtodo Up-Hole, Down-Hole y Cross-hole;
Mtodo de Medicin de Ondas Superficiales MASW y SASW; Mtodo de Reflexin y
Refraccin Ssmica; los cuales se fundamentan en la teora de ondas. As mismo, se
aclara que la ley de Snell, el principio de Fermat y el principio de Huygens son
-
31
utilizados para el desarrollo de los mtodos que se basan en la refraccin y reflexin de
ondas.
La Teora de Ondas y los mtodos ssmicos antes mencionados, sern presentados a
continuacin.
2.4.1 FUNDAMENTO TEORICO DE ONDAS.
El movimiento ondulatorio puede considerarse como un transporte de energa y cantidad
de movimiento, desde un punto del espacio a otro, sin transporte de materia. Las ondas
se clasifican en dos categoras: viajeras y estacionarias. En las primeras hay propagacin
de energa mientras que en las segundas, la energa asociada a la onda permanece
confinada entre dos fronteras.1
En la trayectoria de un frente de ondas se distinguen dos aspectos:
1. El movimiento de la onda a travs del medio y,
2. El movimiento oscilatorio de las partculas del medio.
2.4.1.1 PARAMETROS PARA LA DESCRIPCIN DE ONDAS
Los parmetros que se usan para describir una onda son: la frecuencia, Tf /1 , y la
frecuencia angular, T/2 , donde T es el perodo ; y el nmero de onda, /2 ,
donde es la longitud de la onda.
2.4.1.2 ONDAS ELSTICAS
La sacudida del terreno producida de manera natural (sismo) artificial (golpe
explosin), generan 2 tipos de ondas elsticas que se propagan a travs del medio:
-
32
1. Las ondas de cuerpo o de volumen, y
2. Las ondas superficiales.
La velocidad de propagacin depende de la densidad del medio y de sus propiedades
elsticas, el mdulo de incompresibilidad y mdulo de rigidez. Las ondas elsticas
generan fuerzas y deformaciones que obedecen la teora de la elasticidad, en la cual los
cuerpos slidos tienen la propiedad de resistir cambios de tamao o de forma, y de
regresar a la condicin no deformada cuando se eliminan las fuerzas externas.
Ondas de Volumen.
Se llaman as porque estas tienden a viajar a travs del interior del planeta (adentrndose
incluso a grandes profundidades).Dentro de esta categora se encuentran las ondas
Primarias y las ondas Secundarias.
a. Primarias o de compresin (ondas P): Son las que se propagan a mayor
velocidad, por lo que a cualquier distancia respecto a la fuente de ondas, sern
las primeras en ser registradas. Estas al propagarse, hacen vibrar las partculas
en el mismo sentido del tren de ondas, produciendo compresin y dilatacin a su
paso. Son conocidas tambin como ondas longitudinales. Ondas acsticas
(presentes en fluidos como el agua y el aire) pertenecen a este tipo de ondas.
b. Secundarias o de cortante (ondas S): Hacen vibrar las partculas en sentido
perpendicular al tren de ondas. Su velocidad es ms baja respecto a la de ondas
P en materiales slidos. Si las partculas oscilan de arriba a abajo, la onda se
llama SV, si las partculas oscilan en un plano horizontal se llaman SH. Tambin
-
33
son conocidas como ondas transversales. Las ondas S se diferencian de las ondas
P, debido a que las primeras poseen una mayor amplitud que las segundas; es por
ello que las Ondas S transportan la mayor cantidad de energa generada por la
fuente de una sacudida.
Este tipo de ondas solo puede viajar en materiales que poseen esfuerzo cortante,
lo que indica que no se presentan en lquidos ni gases.
La velocidad de propagacin de las ondas P y S depende de la densidad y de las
propiedades elsticas del medio en que se propagan.
Ondas Superficiales.
Este tipo de ondas viajan a lo largo de la superficie de la Tierra y no tienden a adentrarse
a capas profundas. Dentro de esta categora se encuentran las ondas Love y las ondas
Rayleigh.
a. Love (ondas L): Se propagan de forma similar que las ondas S haciendo vibrar
las partculas horizontalmente en sentido perpendicular al de propagacin, pero
sin movimiento vertical.
b. Rayleigh (ondas R): Tienen un movimiento similar al de las ondas S en la
superficie del agua, haciendo vibrar las partculas sobre un plano que apunta en
direccin de la trayectoria de las ondas, con movimientos elptico horizontal y
vertical simultneamente.
Las ondas L y R solo se propagan en discontinuidades de impedancia.
-
34
2.4.1.3 FENMENOS EN LA PROPAGACIN DE ONDAS.
La propagacin de ondas (cualquiera sea su naturaleza: mecnicas, electromagnticas,
etc.) puede ser explicada mediante el concepto de rayo, el cual es una simplificacin,
de gran utilidad en la ptica geomtrica, que se basa en los principios de Snell, Huygens
y Fermat. Este concepto es utilizado para analizar trayectorias de ondas, como en el
caso de la ssmica de refraccin, en la que la propagacin e interaccin de stas con
medios de propiedades variables (por ejemplo, suelo y roca) se simplifica al hacer el
seguimiento a los rayos que sufren los efectos de reflexin y refraccin en las diferentes
interfaces.
Cuando el medio en que se propagan las ondas ssmicas no es homogneo, se producen
los fenmenos de difraccin, dispersin y scattering.1
Difraccin.
Es el desvo de los rayos en cierta extensin, ocurrido cuando se limita parte del frente
de ondas (por ejemplo, la desviacin de la luz en torno a un obstculo como la orilla de
una rendija). Este fenmeno posee efectos pequeos y se requiere de observaciones
cuidadosas para verlos.1
Dispersin.
Es la variacin de la velocidad de una onda con el cambio de frecuencia. En un medio
elstico homogneo no hay dispersin, pero si la hay en un medio imperfectamente
elstico como en la tierra. En refraccin ssmica no hay evidencia de que exista
dispersin apreciable, excepto cuando se usan explosivos en inmediaciones de la
explosin.1
-
35
Scattering.
Corresponde a la formacin de pequeas ondas que propagan la energa en todas las
direcciones. Se produce cuando un frente de ondas choca con partculas libres u objetos
pequeos comparados con su longitud de onda. Este fenmeno es menor para un medio
con frecuencias altas.
Parte de lo que se considera ruido en un registro puede ser atribuido a este fenmeno,
ya que produce energa distribuida al azar en una superficie.
La disminucin de la energa ssmica, causada por los tres fenmenos explicados
anteriormente, va acompaada de prdidas debidas a la absorcin de la energa,
produciendo amortiguamiento. Cuando el impulso ssmico viaja a travs de las
diferentes capas, las altas frecuencias son absorbidas ms rpidamente que las bajas
frecuencias.1
2.4.1.4 LEY DE SNELL.
En la figura 2.06 se muestra un haz de luz que incide sobre una superficie plana, el cual
se refleja y se dobla (esto es, se refracta). En esta figura, el haz incidente queda
representado por una lnea, que es el rayo incidente, paralela a la direccin de
propagacin. Se supone que el haz incidente es una onda plana cuyos frentes de ondas
son perpendiculares al rayo incidente. As mismo, los haces reflejado y refractado se
representan por rayos. Los ngulos de incidencia 1 , de reflexin '1 , y de refraccin
2 se miden entre la normal a la superficie y el rayo correspondiente, tal como se
muestra en la figura.
-
36
Las leyes que gobiernan la reflexin y la refraccin pueden obtenerse de los hechos
experimentales:
1. Los rayos reflejado y refractado se encuentran en el plano formado por el rayo
incidente y la normal a la superficie en el punto de incidencia; esto es, el plano
de la figura 2.06 .
2. En la reflexin:
'11 Ecuacin 2.1
3. En la refraccin:
212
1 nsen
sen
Ecuacin 2.2
donde 21n es una constante llamada ndice de refraccin del medio 2 con respecto al
medio 1. Este vara con la longitud de onda. Debido a ello, la refraccin, al contrario de
la reflexin, puede utilizarse para analizar la luz en sus longitudes correspondientes de
ondas componentes.
La ley de refraccin se conoce con el nombre de ley de Snell o ley de Descartes. Las
ondas ssmicas tienen un comportamiento similar, regido por esta ley.15
15 Halliday, David Resnick, Robert (1982): Fsica parte 2.. Tercera Edicin en Espaol.
-
37
Figura 2.06 Grafica que muestra la reflexin y la refraccin en un interplano aire-agua.15
2.4.1.5 PRINCIPIO DE HUYGENS.
Esta teora supone simplemente que la luz es una onda en vez de un rayo de partculas.
Huygens no saba si la luz era una onda transversal o longitudinal; tampoco conoca las
longitudes de onda de la luz visible; su conocimiento de la rapidez de la luz era muy
limitado.
La teora de Huygens est basada en una construccin geomtrica, llamada el Principio
de Huygens, que permite determinar la posicin de un frente de onda en un tiempo
futuro, si se conoce su posicin presente; este principio dice:
todos los puntos en un frente de onda pueden considerarse como fuentes puntuales que
producen ondas esfricas secundarias. Despus de un tiempo t, la nueva posicin del
frente de onda ser la superficie tangente a estas ondas secundarias.15
-
38
Dado un frente de onda (lnea a-b en la figura 2.07), de una onda plana en el espacio.
Siguiendo el Principio de Huygens, se considera que algunos puntos de esta onda plana
(vanse los puntos de la figura 2.07 en lnea a-b) actan como centros de ondas esfricas
secundarias. En el tiempo t, el radio de estas ondas esfricas es et, en donde c, es la
rapidez de la luz en el espacio vaco. El plano tangente a estas esferas en el tiempo t est
representado por la lnea d-e. Como era de esperarse, resulta un plano paralelo al a-b, el
cual se encuentra a una distancia perpendicular ct del mismo (donde es longitud
la onda). Por consiguiente, los frentes de onda planos se propagan como planos, con una
rapidez c. Ntese que el mtodo de Huygens prescribe una construccin tridimensional y
que la figura 2.07 es la interseccin de esta construccin con el plano de la pagina.
En la figura 2.08 se muestran rayos luminosos que viajan en un medio ptico denso e
inciden sobre una superficie plana al otro lado de la cual existe un medio ptico menos
denso. A medida que el ngulo de incidencia 1 , se llega a una situacin (vase rayo e)
para la cual, el rayo refractado apunta a lo largo de la superficie; esto es, que el ngulo
de refraccin es de 90. Cuando el ngulo de incidencia es mayor que este ngulo critico
c , no existe rayo refractado y se habla entonces de un fenmeno llamado reflexin
interna total.
-
39
Figura 2.07 La Propagacin de una onda plana en el espacio se describe por la construccin de Huygens. Ntese que el rayo (la flecha horizontal) que representa la onda es perpendicular a los frentes de onda.15
El ngulo crtico se obtiene haciendo 902 en la ley de la refraccin
9021 sennsenn c
12 / nnsen c Ecuacin 2.3
Donde:
1n : ndice de refraccin del medio 1
2n : ndice de refraccin del medio 2
La reflexin interna total no puede ocurrir cuando la luz u onda viaja inicialmente en un
medio de menor ndice de refraccin.
-
40
Figura 2.08 Se muestra una reflexin interna total de la luz proveniente de la fuente S;
el ngulo crtico es c 15
2.4.1.6 PRINCIPIO DE FERMAT.
En 1650, Pierre Fermat descubri un notable principio que puede expresarse en los
trminos siguientes: Un rayo luminoso que viaja de un punto a otro seguir una
trayectoria tal que, comparada con trayectorias vecinas, el tiempo empleado en
recorrerla es mnimo, mximo o invariable (es decir, estacionario).15
2.4.2 METODO DE REFRACCION SISMI